Manifold #6. Topological Manifolds매니폴드 #6. 위상 매니폴드
Manifold series, part 6: the conditions a space needs to be a topological manifold, locally Euclidean spaces and charts, an atlas from the stereographic projection of the sphere, and a counterexample that cannot be a manifoldManifold 시리즈 6편: 위상 매니폴드가 되기 위한 공간의 조건, 국소 유클리드와 지도, 구의 입체 사영으로 보는 아틀라스, 매니폴드가 될 수 없는 반례
Manifold series매니폴드 시리즈Part 6 of 1818편 중 6번째
- Manifold #1. Point Set Topology and Topological Spaces매니폴드 #1. 포인트 셋 토폴로지와 토폴로지컬 스페이스
- Manifold #2. Elementary Definitions매니폴드 #2. 기본 정의: 닫힌집합, 극한점, 폐포, 내부, 경계, 조밀
- Manifold #3. Separation매니폴드 #3. 분리: T0, T1, T2와 하우스도르프
- Manifold #4. Countability and Continuity매니폴드 #4. 가산성과 연속성: 제1·제2가산, 연속 함수, 위상동형
- Manifold #5. Compactness, Connectedness, and Topological Properties매니폴드 #5. 컴팩트함, 연결성, 위상적 성질
- Manifold #6. Topological Manifolds매니폴드 #6. 위상 매니폴드
- Manifold #7. Differentiable Manifolds매니폴드 #7. 미분 가능 매니폴드
- Manifold #8. Diffeomorphisms매니폴드 #8. 미분동형사상
- Manifold #9. The Tangent Space - Definition매니폴드 #9. 접공간의 정의
- Manifold #10. Tangent Space - Basis Vectors매니폴드 #10. 접공간의 기저 벡터
- Manifold #11. The Cotangent Space매니폴드 #11. 코탄젠트 스페이스
- Manifold #12. Fiber Bundles - Formal Description매니폴드 #12. 파이버 번들의 정의
- Manifold #13. The tangent bundle - an illustration.매니폴드 #13. 탄젠트 번들의 예
- Manifold #14. Quotient Spaces매니폴드 #14. 몫공간
- Manifold #15. The Cylinder as a Quotient Space매니폴드 #15. 몫공간으로 만든 원기둥
- Manifold #16. The Möbius Strip매니폴드 #16. 뫼비우스 띠
- Manifold #17. Metric Spaces매니폴드 #17. 거리 공간
- Manifold #18. Homotopy매니폴드 #18. 호모토피
Contents목차
XylyXylyX의 What is a Manifold? 강의를 정리한 노트입니다. 이 글은 재생목록의 6강 Topological Manifolds에 해당합니다. 지난 편에서 다룬 위상동형사상, 컴팩트함, 연결성을 가지고 이번 편에서는 위상 매니폴드를 정의합니다. 최종 목표인 미분 가능 매니폴드로 가는 첫 단계입니다.
공간이 갖춰야 할 조건
위상 매니폴드는 토폴로지컬 스페이스 에서 출발합니다. 이 공간은 먼저 세 가지 성질을 가져야 합니다.
첫째는 하우스도르프입니다. 서로 다른 두 점을 서로 겹치지 않는 열린집합으로 떼어 놓을 수 있다는 성질입니다. 둘째는 제2가산입니다. 가산 개의 열린집합으로 이루어진 기저가 있어서, 모든 열린집합을 그 기저의 원소들의 합집합으로 만들 수 있다는 뜻입니다. 셋째는 파라콤팩트입니다. 컴팩트함의 한 형태이고, 열린 덮개마다 더 잘게 쪼갠 새 열린 덮개를 만들어, 모든 점이 그 새 덮개의 유한 개 원소하고만 겹치는 근방을 갖게 할 수 있다는 조건입니다. 강의는 파라콤팩트의 세부를 몰라도 큰 문제가 없다고 하면서, 컴팩트함을 이해했다면 직접 읽어 볼 만하다고 권합니다.
이 세 성질은 모두 위상적 성질이고, 함께 있으면 공간이 거리화 가능합니다. 곧 두 점의 쌍에 0 이상의 실수를 대응시키는 거리를 이 공간에 줄 수 있다는 뜻입니다. 우리는 거리를 재는 현실의 모형을 만들고 싶으므로 이 조건이 필요합니다. 하우스도르프는 점을 분명하게 구분해 주고, 제2가산과 파라콤팩트는 열린집합을 다룰 만한 수준으로 묶어 줍니다. 세상의 대부분의 토폴로지컬 스페이스는 이 조건을 갖추지 못하므로, 아무 공간이나 위상 매니폴드가 될 수는 없습니다. (파라콤팩트는 뒤에 나오는 국소 유클리드와 하우스도르프, 제2가산이 있으면 저절로 따라옵니다. 그래서 매니폴드의 정의에서는 셋째 조건을 빼기도 합니다. 이 설명은 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
국소적으로 유클리드
또 하나 필요한 것은 유클리드 공간 입니다. 은 실수의 -튜플을 모은 집합이고, 열린 공을 기저로 하는 보통 위상을 줍니다. 그러면 토폴로지컬 스페이스가 둘이 됩니다. 우리가 살펴보는 공간 와 입니다.
가장 먼저 떠오르는 질문은 가 과 위상동형이냐는 것입니다. 위상동형이면 에서 모든 일을 하고 되돌아와도 되니, 일은 거기서 끝납니다. 그런 공간도 흥미롭고 위상 매니폴드가 되지만, 우리가 원하는 것은 이보다 약하고 흥미로운 조건입니다. 공간 전체는 유클리드 공간과 위상동형이 아니어도 좋고, 각 점의 가까이만 처럼 보이면 됩니다. 이것이 국소 유클리드입니다.
구체적으로 봅니다. 의 점 를 잡고, 를 품은 열린집합 를 열린 근방이라고 부릅니다. 안에 들어 있는 의 원소들만 모으면, 그 합집합과 교집합도 모두 안에 있고 전체는 이며 공집합도 넣을 수 있습니다. 그래서 자신이 토폴로지컬 스페이스가 됩니다. 이것을 에서 물려받은 부분공간 위상이라고 부릅니다. 의 열린집합도 마찬가지입니다. 열린집합들이 모두 토폴로지컬 스페이스이므로, 이제 이들 사이의 위상동형사상을 말할 수 있습니다.
에서 의 열린집합으로 가는 위상동형사상 가 있는지 묻습니다. 질문의 대상은 근방 하나이고 전체는 해당하지 않으며, 위상동형은 함수의 존재만 확인하면 됩니다. 이것이 에서 되면 다른 점 의 근방 에서도 되는지 묻고, 이름을 구분해 로 씁니다. 모든 점의 근방에서 이런 위상동형사상을 찾을 수 있으면, 이 근방들이 의 열린 덮개를 이룹니다. 근방끼리 겹쳐도 상관없고 사실은 반드시 겹쳐야 합니다. 열린집합이 모든 점을 덮으려면 겹침이 필요하기 때문입니다.
한 가지 조심할 점이 있습니다. 와 는 서로 다른 의 복사본으로 갑니다. 한 평면 위에 겹쳐 놓을 수 없고, 각자 자기 평면으로 갑니다. 이렇게 점 가 로 가서 놓인 -튜플이 의 좌표입니다. 의 정의가 순서쌍의 모임이어서 좌표가 생기는 것입니다. 모든 점을 이런 근방과 위상동형사상으로 덮을 수 있으면 는 국소 유클리드이고, 하우스도르프, 제2가산, 파라콤팩트와 함께 위상 매니폴드가 됩니다.
Q. 와 가 가는 곳은 같은 평면 위의 서로 겹치는 영역인가요?
A. 각각 별개의 복사본으로 갑니다. 한 점이 두 근방에 모두 속하면 그 점은 두 평면에 각각 다른 좌표를 갖고, 두 좌표 사이의 관계는 다음 편에서 다룹니다.
예: 구면
가장 유명한 예가 구면입니다. 공간 안에 떠 있는 구의 겉면만 모은 집합에, 의 열린 공들이 겉면과 만나는 곳을 기저로 하는 위상을 줍니다. 겉면과 만나지 않는 공은 공집합을, 구 전체를 품은 공은 구면 전체를 줍니다. 이 위상이 에서 물려받은 위상입니다.
구면은 컴팩트합니다. 어떻게 열린 덮개를 만들어도 유한 부분덮개가 있습니다. 반면 평면 는 컴팩트하지 않습니다. 평면 전체를 조금씩 겹치는 열린 직사각형들로 타일처럼 덮으면 끝없이 많이 필요하고, 유한 개로는 평면을 덮을 수 없습니다. 컴팩트함이 위상적 성질이므로 구면과 평면 사이에는 위상동형사상이 없습니다. 구면 전체를 평면에 옮길 수 있는 함수는 없습니다.
그런데 구면에서 점 하나, 예를 들어 남극을 빼면 이야기가 달라집니다. 남극 근처에서 점점 작아지는 열린집합들로, 남극만 빼고 나머지를 모두 덮는 덮개를 만들 수 있습니다. 이 덮개에는 유한 부분덮개가 없어서 남극을 뺀 구면은 컴팩트하지 않습니다. 실제로 남극을 뺀 구면은 평면과 위상동형입니다. 빠진 점에 칼을 꽂아 펼쳐서 무한한 평면 전체에 펴 놓는 모습을 떠올리면 됩니다.
구면의 다른 열린 부분들도 의 열린집합으로 보낼 수 있습니다. 구면 전체도 열린집합이지만 보낼 수 없습니다. 보낼 수 있다면 구면 전체가 평면과 위상동형이 되기 때문입니다. 강의는 구면 전체가 열려 있으면서 닫혀 있다는 점이 다른 열린집합들과의 차이일 수 있다고 짚습니다. (구체적으로 이렇게 됩니다. 구면 전체가 평면의 열린집합 로 위상동형이 되면 는 컴팩트이고 열려 있습니다. 평면은 연결되어 있어서 열려 있고 닫혀 있는 비지 않은 부분집합이 평면 전체뿐인데, 평면은 컴팩트하지 않으므로 모순입니다. 이 설명은 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.) 이것이 위상 매니폴드의 특징입니다. 구면 전체는 평면과 위상동형이 아니어도, 모든 점이 평면의 열린집합과 위상동형인 근방을 가집니다.
입체 사영으로 지도 만들기
이 대응을 직접 만들어 봅니다. 구면을 옆에서 보면 원이 보이고, 적도가 가로선으로 보입니다. 평면 는 이 선이고, 3차원에서 벌어지는 일을 단면으로 보는 것입니다.
북극을 , 남극을 로 놓습니다. 먼저 남극을 뺀 열린집합 (강의의 표기로는 에서 남극 를 뺀 것)을 잡습니다. 남극에서 원 위의 점 를 지나는 직선을 긋고, 이 직선이 적도 선과 만나는 자리를 그 점의 상으로 합니다. 이 작도를 입체 사영이라고 부릅니다. 북극은 정확히 가운데로 가고, 적도 위의 점은 제자리에 있으며, 북반구 점들은 원 안쪽으로, 남반구 점들은 바깥으로 갑니다. 남극에 가까워질수록 바깥으로 한없이 멀어지고 남극 자신은 직선이 생기지 않으므로 정의되지 않습니다. 쏘는 점은 그 지도가 덮지 못하는 것입니다.
이 작도를 식으로 쓰면 이렇습니다. 남극에서 를 지나는 직선은 이고 좌표가 0이 되는 때는 이므로, 적도 선 위의 좌표는
입니다. 북극에서 쏘면 같은 방식으로 입니다. 구면(3차원)에서는 에서 로 같은 식입니다. 거꾸로 평면의 한 점에서 남극으로 직선을 그어 구면과 만나는 곳을 찾으면 정확히 하나이므로 역함수도 있습니다. 일대일이고 위로의 대응이며 양쪽이 연속인 위상동형사상입니다. 강의는 삼각함수나 대수로 어렵지 않게 계산할 수 있다고 말하고, 이 작도의 식은 보탠 것입니다.
이어서 같은 일을 북극을 빼고 다시 합니다. 북극을 뺀 열린집합과 북극에서 쏜 위상동형사상이 하나 더 생깁니다. 이 두 열린집합이 구면 전체를 덮습니다. 근방과 위상동형사상의 짝 하나를 지도라고 부르고, 구면 전체를 덮는 지도들을 모은 것을 아틀라스라고 부릅니다. 지도는 어떤 지역의 그림이고, 지도를 책으로 묶으면 지도책이 되는 것과 같습니다. 구면은 지도가 두 장 필요하다는 점에서 좋은 예입니다.
아래 장난감은 구면의 단면인 원으로 같은 일을 해 보게 합니다. 원 위의 점을 끌면 남극에서 쏜 지도 1의 좌표 와 북극에서 쏜 지도 2의 좌표 가 나옵니다.
Q. 지도 한 장으로 구면 전체를 덮을 수는 없나요?
A. 구면 전체는 컴팩트하고 평면은 그렇지 않아서, 구면 전체를 평면의 열린집합 하나와 위상동형으로 만들 수 없습니다. 그래서 극을 하나씩 빼고 두 장으로 덮습니다.
Q. 두 좌표 와 사이에는 관계가 있나요?
A. 원 위의 점이면 이므로 입니다. 두 극을 뺀 나머지 점에서는 한 좌표가 다른 좌표의 역수입니다. (이 계산은 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다. 강의는 이 관계를 다음 편의 변환 함수에서 다룬다고만 예고합니다.)
반례: 가지가 뻗은 직선
매니폴드가 되지 못하는 고전적 반례도 보았습니다. 끝점을 포함하지 않는 열린 직선 하나에, 그 가운데 한 점에서 다른 직선이 갈라져 나온 모양입니다. 이것을 안에 놓고 의 위상에서 물려받은 위상을 줍니다. 이 모양을 라고 부릅니다.
로 보내 봅니다. 갈라지는 점에서 멀리 있는 부분은 구간으로 문제없이 보내집니다. 그런데 갈라지는 점 근처는 곤란합니다. 갈라지는 점 하나를 따로 한 점으로 보내면 에서 한 점은 열린집합이 아니어서 연속성이 깨집니다. 그렇다고 로 보내면, 직선 한 조각이 에서는 열린집합이 아니므로 맞지 않습니다. 다른 차원도 마찬가지입니다. 이 모양은 위상 매니폴드가 될 수 없습니다. 강의는 이 정도로 짚고 자세한 증명은 생략합니다. (조금 더 분명하게 보는 방법이 있습니다. 갈라지는 점의 충분히 작은 근방에서 그 점을 빼면 조각이 세 개가 됩니다. 구간에서 한 점을 빼면 둘이고, ()의 작은 공에서 한 점을 빼면 하나입니다. 조각의 개수는 위상적 성질이어서 어느 과도 위상동형이 되지 못합니다. 이 설명은 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
정리
이번 편의 내용을 모으면 이렇습니다. 위상 매니폴드는 하우스도르프, 제2가산, 파라콤팩트인 토폴로지컬 스페이스 가운데 모든 점이 의 열린집합과 위상동형인 근방을 갖는 것입니다. 구면은 전체가 평면과 위상동형이 아니지만 국소적으로는 위상동형이라서 위상 매니폴드입니다. 근방과 위상동형사상의 짝이 지도이고, 지도를 모아 공간을 덮은 것이 아틀라스입니다.
다음 편은 두 지도가 겹치는 곳에서 시작합니다. 구면에서는 두 극만 빼면 두 지도의 영역이 겹칩니다. 한 점이 두 평면에 각각 갖는 좌표 사이의 함수가 변환 함수이고, 이 함수가 미분 가능 매니폴드를 정의하는 열쇠입니다.
These are my notes on XylyXylyX’s What is a Manifold? lectures. This post covers lesson 6 of the playlist, Topological Manifolds. Using homeomorphisms, compactness, and connectedness from the previous post, we now define a topological manifold. It is the first step toward the final goal, differentiable manifolds.
Conditions on the space
A topological manifold starts from a topological space . The space must first have three properties.
The first is Hausdorff: any two distinct points can be separated by open sets that do not overlap. The second is second countable: there is a basis made of countably many open sets, so every open set is a union of elements of that basis. The third is paracompact, a form of compactness: every open cover can be refined into a finer open cover so that every point has a neighborhood meeting only finitely many elements of the finer cover. The lecture says the details of paracompactness are not the key point, and encourages us to read about it once we understand compactness.
All three are topological properties, and together they make the space metrizable. That means we can give the space a distance, a rule that assigns a number at least 0 to each pair of points. We want to build a model of the real world where we measure distances, so we need this. Hausdorff distinguishes points clearly, and second countability and paracompactness keep the open sets under control. Most topological spaces in the world lack these properties, so not every space can be a topological manifold. (Paracompactness follows automatically from the locally Euclidean property below together with Hausdorff and second countable, which is why some definitions of a manifold drop the third condition. This explanation was added by me and was not covered in the lecture.)
Locally Euclidean
The other thing we need is Euclidean space . It is the set of -tuples of real numbers, given the usual topology that has open balls as a basis. Now we have two topological spaces, the space under study and .
The first question that comes to mind is whether is homeomorphic to . If it is, we can do everything in and come back, so the work ends there. Such spaces are interesting and are topological manifolds, but we want something weaker and more interesting. The whole space need not be homeomorphic to Euclidean space, as long as each point looks like nearby. This is called locally Euclidean.
Let us see it concretely. Take a point of and an open set containing , called an open neighborhood. If we collect only the elements of that lie inside , their unions and intersections stay inside , the whole is , and we can add the empty set. So itself becomes a topological space. This is called the subspace topology, inherited from . Open sets of work the same way. Since all these open sets are topological spaces, we can now talk about homeomorphisms between them.
We ask whether there is a homeomorphism from onto an open set of . This is a question about one neighborhood, not all of , and for a homeomorphism we only need to confirm that such a function exists. If it works at , we ask whether it works for the neighborhood of another point , and we label it to tell them apart. If we can find such a homeomorphism around every point, these neighborhoods form an open cover of . The neighborhoods may overlap, and in fact they must, because open sets need overlaps to cover every point.
One thing to be careful about. and go to different copies of . They cannot be laid on top of each other in one plane, and each goes to its own. The -tuple where puts the point is the coordinates of . Coordinates exist because is defined as a set of ordered tuples. If we can cover every point with such neighborhoods and homeomorphisms, is locally Euclidean, and together with Hausdorff, second countable, and paracompact it is a topological manifold.
Q. Do and land in overlapping regions of the same plane?
A. Each lands in a separate copy of . A point in both neighborhoods has a different coordinate in each of the two planes, and the relation between the two coordinates comes in the next post.
Example: the sphere
The most famous example is the sphere. Take the surface of a ball floating in space, and give it the topology whose basis is the places where open balls of meet the surface. A ball that misses the surface gives the empty set, and a ball that contains the whole sphere gives the entire surface. This is the topology inherited from .
The sphere is compact. However we build an open cover, it has a finite subcover. The plane is not compact. Tile the whole plane with slightly overlapping open rectangles and we need infinitely many, and no finite number covers the plane. Since compactness is a topological property, there is no homeomorphism between the sphere and the plane. No function carries the whole sphere onto the plane.
But if we remove one point from the sphere, say the south pole, the story changes. Around the south pole we can build open sets that shrink toward it, covering everything except the pole. This cover has no finite subcover, so the sphere without the south pole is not compact. In fact, the sphere without that point is homeomorphic to the plane. Picture sticking a knife into the missing point and spreading the sphere out over the whole infinite plane.
Other open parts of the sphere can also be sent to open sets of . The whole sphere is open too, but it cannot be sent, because then the whole sphere would be homeomorphic to the plane. The lecture points out that the whole sphere being both open and closed may be what sets it apart from the other open sets. (Concretely, it goes like this. If the whole sphere were homeomorphic to an open set of the plane, would be compact and open. The plane is connected, so its only nonempty subset that is both open and closed is the whole plane, but the plane is not compact, a contradiction. This explanation was added by me and was not covered in the lecture.) This is the signature of a topological manifold. The whole sphere need not be homeomorphic to a plane, as long as every point has a neighborhood homeomorphic to an open set of the plane.
Building charts by stereographic projection
Let us build this correspondence by hand. Looking at the sphere from the side, we see a circle, and the equator appears as a horizontal line. The plane is this line, and we are looking at a cross-section of what happens in three dimensions.
Put the north pole at and the south pole at . First take the open set that omits the south pole (in the lecture’s notation, minus the south pole ). Draw the line from the south pole through a point of the circle, and let the image of the point be where this line meets the equator line. This construction is called stereographic projection. The north pole goes exactly to the center, points on the equator stay where they are, points of the northern hemisphere go inside the circle, and points of the southern hemisphere go outside. The closer we get to the south pole, the farther out the image goes without bound, and the south pole itself has no line, so it is undefined. The point we shoot from is what that chart cannot cover.
In formulas, the line from the south pole through is , and its coordinate is 0 when , so the coordinate on the equator line is
Shooting from the north pole in the same way gives . For the sphere in three dimensions the same formula reads . Conversely, from a point of the plane draw a line to the south pole and find where it meets the sphere. There is exactly one such place, so the inverse exists. The map is a bijection, onto, and continuous in both directions, so it is a homeomorphism. The lecture says the computation is easy with trigonometry or algebra, and the formulas for this construction were added by me.
Next we do the same thing again with the north pole removed. This gives an open set omitting the north pole and one more homeomorphism, shot from the north pole. These two open sets cover the whole sphere. A pair of a neighborhood and a homeomorphism is called a chart, and a collection of charts that covers the whole sphere is called an atlas. A chart is a picture of some region, just as maps bound into a book make an atlas. The sphere is a good example because it needs two charts.
The toy below lets you do the same on the circle, the cross-section of the sphere. Drag a point on the circle to see the coordinate of chart 1, shot from the south pole, and the coordinate of chart 2, shot from the north pole.
Q. Can one chart cover the whole sphere?
A. The whole sphere is compact and the plane is not, so the whole sphere cannot be homeomorphic to a single open set of the plane. That is why we remove one pole at a time and cover with two charts.
Q. Is there a relation between the two coordinates and ?
A. For a point on the circle , so . At every point except the two poles, one coordinate is the reciprocal of the other. (This computation was added by me and was not covered in the lecture. The lecture only previews that this relation is handled by transition functions in the next lesson.)
A counterexample: a line with a branch
The lecture also gave a classic counterexample that cannot be a manifold. Take one open line without endpoints, with another line branching off from a point in its middle. Put it inside and give it the topology inherited from . Call this shape .
Try sending it to . Parts far from the branching point go to intervals with no trouble. The trouble is near the branching point. If we send the branching point alone to a single point, then a single point is not an open set in , and continuity breaks. If we try instead, a piece of line is not an open set in , so that does not fit. The same goes for other dimensions. This shape cannot be a topological manifold. The lecture notes this much and skips the detailed proof. (There is a clearer way to see it. Remove the branching point from a small enough neighborhood of it, and three pieces remain. Removing a point from an interval leaves two, and removing a point from a small ball of with leaves one. The number of pieces is a topological property, so no is homeomorphic to it. This explanation was added by me and was not covered in the lecture.)
Summary
Gathering this post, a topological manifold is a Hausdorff, second countable, paracompact topological space in which every point has a neighborhood homeomorphic to an open set of . The sphere as a whole is not homeomorphic to a plane but is locally so, which makes it a topological manifold. A pair of a neighborhood and a homeomorphism is a chart, and a collection of charts covering the space is an atlas.
The next post starts where two charts overlap. On the sphere, the two chart regions overlap everywhere except the two poles. The function between the coordinates a point has in the two planes is a transition function, and it is the key to defining a differentiable manifold.
Comments댓글